單相橋式全控整流電路純電阻課程設(shè)計(jì)

1、<p><b>　　1 引言</b></p><p>　　電力電子技術(shù)是利用電力電子器件實(shí)現(xiàn)工業(yè)規(guī)模電能變換的技術(shù)，有時(shí)也稱為功率電子技術(shù)。一般情況下，它是將一種形式的工業(yè)電能轉(zhuǎn)換成另一種形式的工業(yè)電能。是建立在電子學(xué)、電工原理和自動(dòng)控制三大學(xué)科上的新興學(xué)科。隨著科學(xué)技術(shù)的日益發(fā)展,人們對(duì)電路的要求也越來越高,由于在生產(chǎn)實(shí)際中需要大小可調(diào)的直流電源,而相控整流電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、控制方

2、便、性能穩(wěn)定,利用它可以方便地得到大中、小各種容量的直流電能,是目前獲得直流電能的主要方法,得到了廣泛應(yīng)用。</p><p>　　要得到直流電，除了直流發(fā)電機(jī)外，最普遍應(yīng)用的是利用各種半導(dǎo)體元件產(chǎn)生直流電。這個(gè)方法中，整流是最基礎(chǔ)的一步。整流，即利用具有單向?qū)щ娞匦缘钠骷?，把方向和大小交變的電流變換為直流電。整流的基礎(chǔ)是整流電路。整流電路（Rectifier）是電力電子電路中出現(xiàn)最早的一種，它的作用是將交流電能變

3、為直流電能供給直流用電設(shè)備。典型的單相可控整流電路包括單相半波可控整流電路、單相整流電路、單相全波可控整流電路及單相橋式半控整流電路等。單相可控整流電路的交流側(cè)接單相電源。 </p><p>　　這次課程設(shè)計(jì)我設(shè)計(jì)的是單相橋式全控整流電路電阻性負(fù)載，與單相半波可控整流電路相比，橋式全控的電源利用率更高一些，應(yīng)用范圍更廣泛一些。 </p><p>　　2 單相橋式全控整流電路<

4、/p><p>　　2.1 單相橋式全控整流電路帶電阻負(fù)載的工作情況分析</p><p>　　單相橋式全控整流電路帶電阻負(fù)載電路如圖2-1：</p><p>　　圖2.1 單相橋式全控整流電路原理圖</p><p>　　在單相橋式全控整流電路，閘管VT1和VT4組成一對(duì)橋臂，VT2和VT3組成另一對(duì)橋臂。在u2正半周（即a點(diǎn)電位高于b點(diǎn)電位），若4

5、個(gè)晶閘管均不導(dǎo)通，id=0,ud=0,VT1、VT4串聯(lián)承受電壓u2。在觸發(fā)角a處給VT1和VT4加觸發(fā)脈沖，VT1和VT4即導(dǎo)通，電流從電源a端經(jīng)VT1、R、VT4流回電源b端。當(dāng)u2過零時(shí)，流經(jīng)晶閘管的電流也降到零，VT1和VT4關(guān)斷。在u2負(fù)半周，仍在觸發(fā)角a處觸發(fā)VT2和VT3，VT2和VT3導(dǎo)通，電流從電源b端流出，經(jīng)VT3、R、VT2流回電源a端。到u2過零時(shí)，電流又降為零，VT2和VT3關(guān)斷。</p><

6、;p>　　在u2負(fù)半周，仍在觸發(fā)延遲角a處觸發(fā)VT2和VT3（VT2和VT3的a=0處為ωt=Π），VT2和VT3導(dǎo)通，電流從電源b端流出，經(jīng)VT3,R,VT2流回電源a端。到u2過零時(shí)，電流又降為零，VT2和VT3關(guān)斷。晶閘管承受的最大正向電壓和反向電壓分別為U2和U2。由于在交流電源的正負(fù)半周都有整流輸出電流流過負(fù)載，故該電路為全波整流。</p><p><b>　　整流電壓平均值為：<

7、/b></p><p>　　向負(fù)載輸出的直流平均電流為：</p><p>　　晶閘管VT1、VT4 和 VT2、VT3 輪流導(dǎo)電，流過晶閘管的電流平均值只有輸出直流電流平均值的一半，即</p><p>　　為選擇晶閘管、變壓器容量、導(dǎo)線截面積等定額，需考慮發(fā)熱等問題，為此需計(jì)算電流有效值。流過晶閘管的電流有效值：</p><p>　　變

8、壓器二次電流有效值I2與輸出直流電流有效值I相等，為：</p><p><b>　　由上兩式可見</b></p><p>　　不考慮變壓器的損耗時(shí)，要求變壓器的容量為S=U2I2</p><p>　　2.1.1 工作原理</p><p>　　第1階段0~ωt1這階段U2在正半周期a點(diǎn)電位高于b點(diǎn)電位,晶閘管VT1和VT2

9、方向串聯(lián)后于U2, 連接VT1承受正向電壓為U2/2, VT2承受U2/2的反向電壓,同樣VT3和VT4反向串聯(lián)后與U2連接,VT3承受U2/2的正向電壓,VT4承受U2/2的反向電壓。雖然VT1和VT3受正向電壓但是尚未觸發(fā)導(dǎo)通負(fù)載沒有電流通過所以Ud=0,id=0。 </p><p>　　第2階段ωt1 ~π在ωt1時(shí)同時(shí)觸發(fā)VT1和VT3,由于VT1和VT3受正向電壓而導(dǎo)通,有電流經(jīng)a點(diǎn)→VT1→R

10、→VT3→變壓器b點(diǎn)形成回路。在這段區(qū)間里Ud=U2,id=iVT1=iVT3=Ud/R。由于VT1和VT3導(dǎo)通忽略管壓降UVT1=UVT2=0,而承受的電壓為UVT2=UVT4=U2。 </p><p>　　第3階段π~ωt2 從ωt=π開始U2進(jìn)入了負(fù)半周期,b點(diǎn)電位高于a點(diǎn)電位,VT1和VT3由于受反向電壓而關(guān)斷,這時(shí)VT1~VT4都不導(dǎo)通,各晶閘管承受U2/2的電壓,但VT1和VT3承受的事反向電

11、壓,VT2和VT4承受的是正向電壓,負(fù)載沒有電流通過Ud=0,id=i2=0。 </p><p>　　第4階段ωt2 ~π在ωt2 時(shí),U2電壓為負(fù)VT2和VT4受正向電壓,觸發(fā)VT2和VT4導(dǎo)通有電流經(jīng)過b點(diǎn)→VT2→R→VT4→a點(diǎn),在這段區(qū)間里Ud=U2,id=iVT2=iVT4=i2=Ud/R。由于VT2和VT4導(dǎo)通,VT2和VT4承受U2的負(fù)半周期電壓,至此一個(gè)周期工作完畢,下一個(gè)周期重復(fù)上述過程，單項(xiàng)

12、橋式整流電路兩次脈沖間隔為180°。</p><p><b>　　參數(shù)計(jì)算</b></p><p><b>　　整流電壓平均值為：</b></p><p>　　α=0時(shí)，Ud= Ud0=0.9U2 。α=180?時(shí)，Ud=0。可見，α角的移相范圍為180?。</p><p>　　向負(fù)載輸出

13、的平均電流值為：</p><p>　　流過晶閘管的電流平均值只有輸出直流平均值的一半（因?yàn)橐粋€(gè)周期內(nèi)每個(gè)晶閘管只有半個(gè)周期導(dǎo)通），即：</p><p><b>　　</b></p><p>　　2.3 元器件選型及計(jì)算</p><p>　　設(shè)計(jì)條件：1.電源電壓：交流100V/50Hz</p><p

14、>　　2.輸出功率：500W</p><p><b>　　3.觸發(fā)角 </b></p><p><b>　　4.純電阻負(fù)載</b></p><p>　?、?整流電壓平均值：=0.9×100×=22.5V</p><p>　?、?向負(fù)載輸出的直流電流平均值：=500/22.5

15、=22.22A</p><p>　　③ 負(fù)載電阻R：=22.5/22.22=1.01</p><p><b>　?、?延遲時(shí)間t：</b></p><p>　　VT1、4的觸發(fā)時(shí)間：==6.67ms</p><p>　　VT2、3的觸發(fā)時(shí)間:=16.67ms</p><p>　　⑤ 流過晶閘管的電

16、流有效值： </p><p>　?、?晶閘管承受的最大反向電壓為U2=141.4V</p><p>　?、?晶閘管額定電壓為：UN=（2~3）×141.4=283~424V</p><p>　?、?晶閘管額定電流為：IN=（1.5~2）×30.96÷1.57=29.57~39.44A </p><p>　?、?U

17、1=220V </p><p><b>　　U2=100V</b></p><p><b>　　變壓器變比：</b></p><p>　　晶閘管的電流平均值：</p><p>　　變壓器二次側(cè)電流有效值I2與輸出直流電流有效值相等：</p><p><b>　　3

18、 觸發(fā)電路設(shè)計(jì)</b></p><p>　　晶閘管可控整流電路是通過控制觸發(fā)角的大小，即觸控制觸發(fā)脈沖起始相位來控制輸出電壓大小的，屬于相控電路。為保證相控電路的正常工作，很重要的一點(diǎn)是應(yīng)保證按觸發(fā)角的大小在正確的時(shí)刻向電路中的晶閘管施加有效的觸發(fā)脈沖。晶閘管觸發(fā)電路應(yīng)滿足下列要求： </p><p>　?、儆|發(fā)信號(hào)可為直流、交流或脈沖電壓。</p><p

19、>　　②觸發(fā)信號(hào)應(yīng)有足夠的功率（觸發(fā)電壓和觸發(fā)電流）。</p><p>　?、塾|發(fā)脈沖應(yīng)有一定的寬度保證晶閘管可靠導(dǎo)通，，脈沖的前沿盡可能陡，以使元件在觸發(fā)導(dǎo)通后，陽極電流能迅速上升超過掣住電流而維持導(dǎo)通。</p><p>　?、苡|發(fā)脈沖必須與晶閘管的陽極電壓同步，脈沖移相范圍必須滿足電路要求。</p><p>　?、萦|發(fā)脈沖應(yīng)有足夠的幅度，對(duì)戶外寒冷場(chǎng)合，脈

20、沖電流的幅度應(yīng)增大為器件最大出發(fā)電流的3~5倍，脈沖前沿的陡度也需要增加，一般需達(dá)1~2A/。</p><p>　?、匏峁┑挠|發(fā)脈沖應(yīng)不超過晶閘管門極的電壓、電流和功率定額，且在門極伏安特性的可靠觸發(fā)區(qū)域之內(nèi)。</p><p>　　⑦應(yīng)有良好的抗干擾性能、溫度穩(wěn)定性及與主電路的電氣隔離。 </p><p>　　4 單相橋式全控整流電路帶電阻性負(fù)載仿真</

21、p><p>　　4.1 單相橋式全控整流電路仿真圖設(shè)計(jì)</p><p>　　圖4.1 單相橋式全控整流電路仿真模型</p><p>　　組成單相橋式全控整流電路的主要元器件有：交流電源，RLC負(fù)載，示波器等。將電路元器件模塊按單相整流的原理圖連接起來組成仿真。</p><p>　　4.2 仿真結(jié)果分析</p><p>　

22、　波形圖分別代表U2、VT1、4 上的觸發(fā)脈沖、VT2、3上的觸發(fā)脈沖、UVT1、4、IVT1、4、Ud、Id、UVT2、3、IVT2、3的波形變化：</p><p>　　圖4.2單相橋式全控整流電路仿真波形</p><p><b>　　5 心得體會(huì)</b></p><p>　　通過單相全控橋式整流電路的設(shè)計(jì)，使我加深了對(duì)整流電路的理解，更深刻

23、地了解了整流電路的設(shè)計(jì)方法，讓我對(duì)電力電子該課程產(chǎn)生了濃烈的興趣。對(duì)于一個(gè)電路的設(shè)計(jì)，首先應(yīng)該對(duì)它的理論知識(shí)很了解，這樣才能設(shè)計(jì)出性能好的電路。 </p><p>　　在這次課程設(shè)計(jì)過程中，碰到的難題就是MATLAB的使用。因?yàn)樵谥暗膶W(xué)習(xí)中沒有接觸過MATLAB軟件，在整個(gè)課程設(shè)計(jì)中都會(huì)在電路的設(shè)計(jì)和仿真中出現(xiàn)各種各樣的問題而MATLAB軟件又是作為工科生所必備的，在今后的學(xué)習(xí)中要認(rèn)真總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，以便更好地掌握此

24、軟件的使用。同時(shí)，在完成課程設(shè)計(jì)的同時(shí)我也在復(fù)習(xí)一遍電力電子這門課程，把以前一些沒弄懂的問題基本掌握了。</p><p>　　在實(shí)驗(yàn)的過程中，對(duì)參數(shù)的設(shè)定是及其重要的，觸發(fā)角的參數(shù)設(shè)定錯(cuò)誤，則出來的波形與要求是截然不同的，在對(duì)電阻的設(shè)定時(shí)也要格外注意，避免仿真出來的波形幅度過大或過小。</p><p><b>　　參考文獻(xiàn)</b></p><p&g